CN103335319B - Fcs火炬监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FCS火炬监控管理系统，用于将现有火炬的各控制部分的小PLC系统整合成一个大的三重化的安全系统，从而提高了系统的集成度，简化了火炬的控制，降低了故障率并提高了安全性。所述FCS火炬监控管理系统包括火炬子系统、分液水封罐子系统、气柜子系统、压缩机子系统、脱硫子系统、汽化器子系统。这些子系统由于是块状结构，因而能彼此独立操作，互不干扰，能很方便地进行独立操作切换、调试，可靠性、灵活性大大提高。

Description

FCS火炬监控管理系统

技术领域

本发明涉及石化工业，尤其涉及火炬及其监控管理系统。

背景技术

石油化工工业早已成为国民经济的不可或缺的组成部分。然而，其生产控制设施仍需不断改进，以减少污染、提高生产效率。

例如，对于石化企业中使用的火炬而言，现有的火炬控制系统往往分成多个部分操作，例如火炬头岗位、气柜岗位、压缩机岗位、火炬气脱硫岗位、全厂瓦斯平衡岗位。而这些部分又由多个仪表系统进行控制（分为多个可编程逻辑控制器（PLC）控制)系统复杂、管理分散、操作人员增加。同时，火炬的这些控制部分都由其各自的设备制造厂带来（例如火炬头厂带来现场小PLC，压缩机厂也自己带PLC，等等）。这些不同型号、不同功能的PLC在一个系统中运行带来很多隐患，例如造成故障增加，系统不匹配，可靠性减少，同时达不到安全等级等等。由于火炬系统是全厂安全排放口，所以一旦故障，要么造成全厂停车，要么造成安全事故。因而，火炬系统的故障率和安全性必须得到保障。

此外，过去火炬系统控制是靠操作工手动操作来完成的。例如，火炬的长明灯手工点火时间太长，容易引起内爆；火炬的消烟蒸汽的量是操作人员根据火炬的火焰与烟量来手动调节的，消烟效果差，所以石化厂火炬要冒黑烟，并且污染大气，造成环保问题。

另外，在现有火炬中，还存在以下缺陷：在火炬头进行燃烧时，会因火炬管道内产生负压造成火炬回火事故；对于现有的常规气柜控制，一旦火炬气放空，进气柜火炬气就切断，火炬气就不进气柜回收，造成火炬气浪费并产生火炬气排放问题；炼厂酸性气（主要组分是H₂S，CO，CO₂，氨及PP等可燃气体，这些统称为酸性气）破解不充分，排放到大气中会造成严重污染，等等。

因而，需要集成度更高、安全性更强、无污染且控制更加方便且有效的火炬及其相应地控制监控管理方法和系统。本发明不限于解决以上旨在作为示例示出的各个问题。

发明内容

本发明提供了一种FCS火炬监控管理系统，用于将现有火炬的各控制部分的小PLC系统整合成一个大的三重化的安全系统，从而提高了系统的集成度，简化了火炬的控制，降低了故障率并提高了安全性。所述FCS火炬监控管理系统包括火炬子系统、分液水封罐子系统、气柜子系统、压缩机子系统、脱硫子系统、汽化器子系统。所述火炬子系统用于控制对火炬气进行放空燃烧。所述分液水封罐子系统用于控制对火炬气进行的气液分离，阻止火炬气放空。所述气柜子系统用于控制气柜对经气液分离的火炬气的回收。所述压缩机子系统用于控制对所回收的火炬气的抽取加压。所述脱硫子系统用于控制对加压后的火炬气进行的脱硫处理。所述汽化器子系统用于控制对脱硫的火炬气的储存。在本发明中，这些子系统由于是块状结构，因而能彼此独立操作，互不干扰，能很方便地进行独立操作切换、调试，可靠性、灵活性大大提高。

所述火炬子系统还包括自动点火模块，所述自动点火模块根据包括以下各项中的至少一个的参数进行自动联锁点火，一旦参与联锁的参数超限，立即自动点燃长明灯：火炬气管道压力、流量、气柜高度。所述自动点火模块还对长明灯点燃进行监控，一旦长明灯点燃后，FCS系统对长明灯燃烧状态进行监控，如果任意一支长明灯熄灭，FCS马上报警，并且采取再次自动点火，保证长明灯在燃烧状态。

所述火炬子系统还包括消烟蒸汽优化控制模块，所述消烟蒸汽优化控制模块用于监视火炬气流量变化及火炬气组分分子量变化，以根据测量到的结果来控制消烟蒸汽的流量。所述消烟蒸汽优化控制模块还用于：使中心喷射蒸汽抬升火焰高度，降低火炬头温度；引射（空气）蒸汽，将助燃空气送到火焰中心供氧，并稀释烃，抑制聚合反应，同时缩短火焰高度及托高火焰；以及使火炬气充分均匀混合与扩散。

所述火炬子系统还包括防回火模块。所述防回火模块采用向管道输入瓦斯方法，进行自动补充瓦斯，达到微正压控制克服回火。

所述气柜子系统还将进气柜的切断阀改为自动连续式控制，并通过气柜进口蝶阀控制气柜活塞上升、下降的速度在安全状态下。

所述气柜子系统还包括高、低压支路双向流量计，所述双向流量计正、反向量程比相差大（1：40）压降小。如此，对火炬气的分子量、密度、雷诺度进行补偿，保证其测量精度。从而，FCS控制系统根据高、低压管道双向流量会进行自动报警，自动联锁（通过高、低管道支路切断蝶阀）防止高、低压互窜的现象。

所述火炬子系统还包括用于控制掺和燃料气的量的酸性气热值优化模块。通过在线H₂S热值分析仪，测量H₂S热值，用掺瓦斯的方法控制其热值。例如，保证H₂S的火炬头热值在1500大卡以上达到优化控制使H₂S的破解率在98%以上。

附图说明

图1示出了根据本发明的一实施例的FCS火炬监控管理系统的示意性框图。

图2示出了根据本发明的一实施例的对消烟蒸汽的控制的示意图。

图3示出了根据本发明的一实施例的火炬气气柜回收优化控制的示意图。

图4示出了根据本发明的一实施例的酸性气火炬热值优化控制的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的各实施例。

石油石化厂的火炬在装置正常时是不排放燃烧的，火炬气经过分液罐进行气液分离，通过水封罐阻止火炬气放空，此时火炬气经过气柜进行回收，再经过压缩机抽取加压，然后进行脱硫后进入到汽化器球罐储存，供装置再次使用。一旦装置联锁超限，火炬气突破水封进行放空燃烧。由此，各个子系统串联在一起，构成一套完整的火炬控制系统。

本发明的FCS火炬监控管理系统将现有火炬的各控制部分的小PLC系统整合成一个大的三重化的安全系统，从而提高了系统的集成度，简化了火炬的控制，降低了故障率并提高了安全性。一个完整的火炬装置主要由火炬头及塔架、分液罐、水封罐、气柜、压缩机、脱硫装置、汽化器球罐等设备组合在一起。本发明的火炬FCS系统负责上述设备与装置的控制与安全联锁，达到控制功能与安全功能，其控制系统根据业主与设计要求可以选用冗余控制器，或者多重的安全等级的控制器。

如图1所示，FCS火炬监控管理系统包括火炬子系统、分液水封罐子系统、气柜子系统、压缩机子系统、脱硫子系统、汽化器子系统。所述火炬子系统用于控制对火炬气进行放空燃烧。所述分液水封罐子系统用于控制对火炬气进行非气液分离，阻止火炬气放空。所述气柜子系统用于控制对经气液分离的火炬气的回收。所述压缩机子系统用于控制对所回收的火炬气的抽取加压。所述脱硫子系统用于控制对加压后的火炬气进行的脱硫处理。所述汽化器子系统用于控制对脱硫的火炬气的储存。在本发明的FCS火炬监控管理系统中，这些子系统之间是一个链式结构。这种链式结构很适合火炬控制与安全联锁系统。例如正常情况下，火炬气进入气柜，压缩回收，而分液水封罐、火炬头部分均是停止的，在待命。由于是块状结构，它们可以独立操作，因此它们之间是互不干扰，可以很方便进行独立操作切换、调试，可靠性、灵活性大大提高。

下面将分别描述本发明的FCS系统在各方面的改进。

1.火炬自动点火控制

在火炬装置正常时，长明灯处于熄灭状态，一旦装置发生事故有大量火炬气需要紧急排放时，则需点燃长明灯来燃烧火炬气，以防火炬气排入大气造成污染。装置紧急排放时，火炬气由于量非常大，只需要十几秒钟就可以到达火炬头顶部。然而，以往通过人工手动点燃长明灯是需要看到放空压力、流量等信号超限报警时，才手工开启点火器燃气阀门、长明灯燃气阀门以及高能点火器等设备，紧急放空时操作工处于高度紧张状态，很有可能会误操作，很难在十几秒内点燃全部长明灯。如果不能保证立即点燃长明灯，并且高压放空火炬气含有的大量氢气已经到达火炬头顶部，此时再点火就会引起内爆。

火炬长明灯在本发明的FCS控制平台上用于进行紧急手动点火与自动点火。其中，自动点火可以根据火炬气管道压力、流量、气柜高度等参数中的至少一个进行自动联锁，一旦联锁参数超限就自动点燃长明灯。其点火时间从参数超限自动联锁开始至长明灯被点燃只需要6秒钟左右，而人工手动点火需要判断何时开始点火，并且需要手动开启一系列阀门以及点火器，是无法在短时间内点燃全部长明灯的。例如，本发明的FCS系统可以监视火炬气管道压力、流量、气柜高度等参数，在压力过高达到联锁值、火炬气流量过高达到联锁值、气柜高度过高处于联锁值，上述因素的任何一个发生时，立即启动自动点火程序，同时启动各个阀门以及点火器。

本发明的FCS不仅能安全可靠地点燃长明灯，并且可以对长明灯点燃进行监控，一旦长明灯点燃后，FCS系统对长明灯燃烧状态进行监控，如果任意一支长明灯熄灭，FCS马上报警，并且采取再次自动点火，保证长明灯在燃烧状态。联锁参数不超限时，在判断装置压力平稳后，例如，装置压力保持平稳超过预定时间段，则自动使各阀门复位来熄灭长明灯。

2.FCS对消烟蒸汽的控制

火炬头冒黑烟是因为没有充分燃烧产生固体黑色炭灰（黑烟）。对这些炭灰用蒸汽喷射进行水煤气反应，使碳反应转化为H₂和CO，达到消烟目的。过去操作人员根据火炬燃烧冒黑烟情况进行人工判断，手动进行消烟蒸汽控制。用手动遥控方法对消烟蒸汽流量进行控制不仅不能及时地消烟，而且也不能很好地控制消烟蒸汽的量，使得不能完全消烟或者浪费消烟蒸汽。

申请人意识到，由于火炬气流量变化及火炬气组分分子量变化，要求消烟蒸汽流量跟着变化，否则会冒黑烟。在本发明中，通过对火炬气流量用超声波流量计测得火炬气的流量与分子量，进而根据测量到的结果来控制消烟蒸汽的流量，从而能够克服火炬冒黑烟的现象，达到了环保要求。

图2示出了根据本发明的一实施例的消烟蒸汽控制示意图。首先，超声波流量计测量火炬气的流量以及火炬气组分分子量。根据测得的火炬气分子量、流量，自动计算出消烟蒸汽的流量。在确定了所需的消烟蒸汽的流量之后，FCS系统的消烟蒸汽优化控制机构将执行如下操作以达到消烟目的：

（1）中心喷射蒸汽起到抬升火焰高度，降低火炬头温度，保护火炬头的作用。

（2）引射（空气）蒸汽，将助燃空气送到火焰中心供氧，并稀释烃，抑制聚合反应，同时缩短火焰高度及托高火焰，达到降低火炬头温度，节省蒸汽，消烟的目的。优选地，所述助燃空气是指完全燃烧时所需空气的浓度约为放空气体体积的60%，以达到最佳的节能和环保效果。

（3）消烟及稳定蒸汽使火炬气充分均匀混合与扩散，进行水煤气反应达到消烟的主要目的。

从上可看出，消烟蒸汽不仅达到消烟目的，并且达到保护火炬头，延长使用寿命的目的。

3.防回火的微正压控制

如背景技术部分所述，在火炬头进行燃烧时，由于外界与装置操作等因素，使火炬管道内产生负压造成火炬回火事故；如果介质含有氢气，更容易发生回火与火炬头闪爆事故。火炬回火是火炬系统的一个破坏力大的安全事故，从最近一、二年来炼油石化行业已发生多起火炬回火事故，严重损害了设备与人身伤亡安全事故。

本发明的火炬系统FCS提供了一种抗火炬回火的微正压控制。管道产生负压会造成回火，微正压控制采用向管道输入瓦斯方法，进行自动补充瓦斯，达到微正压控制防止回火。例如，FCS的火炬子系统监视管道内的气压，如果管道气压是低于正压或者超过某一预定气压值（例如，预设的微正压值），则全部开启瓦斯阀门输入瓦斯。在管道内气压达到或超过所述微正压之后，停止瓦斯输入。从而使得火炬管道内不会产生负压，防止了回火事故的发生。同时，所输入的瓦斯会对介质中的氢气进行稀释，从而也降低了火炬头闪爆的几率。

4.FCS火炬气气柜回收优化控制

目前许多石油石化厂的火炬在放空时，火炬气是不回收的，气柜入口切断阀是关闭的，火炬气直接排放烧掉，从而浪费了火炬气并造成大气污染。

为了能够在火炬放空燃烧时同样可以回收火炬气，本发明的FCS技术将气柜入口的切断阀改为既可以连续控制又可以安全联锁的调节切断蝶阀。在火炬气放空的时候，通过对气柜活塞上升、下降的速度来调整阀门的开度，上升速率过快时，自动将阀门开度调小，控制气柜上升速率处于安全状态，来回收更多火炬气。同时监测气柜高度，如果气柜活塞高度超高，立即联锁切断气柜入口阀门，防止回收火炬气过多时将气柜顶翻。

然而，在自动连续式控制的情况下，在通过气柜进口蝶阀调节时，如果高压回收支线的阀门开度过小、低压回收支线的阀门开度过大时，高、低压管道内的压力不均等，此时就会造成高、低压管道火炬气互窜现象，给火炬系统安全运行造成隐患。

为此，本发明的FCS系统开发了一个高、低压支路双向流量计，这种双向流量计正、反向量程比相差大（1：40），压降小，如此，对火炬气的分子量、密度、雷诺度进行补偿，保证其测量精度。普通流量计是无法达到FCS的双向流量计要求的。高、低火炬管网同时进气柜回收，由于二个管网压力不等可能造成互窜，而双向流量计可测量正、反向流量，而高、低压管网流向气柜的管道上装有控制阀。一旦检测到高、低压回收气体的流量为负值时，即证明管道内的气体已经互窜，此时FCS会自动报警，并自动遥控支路阀，使其不产生反向流量。如果由于突发原因，反向流量过大时，会造成系统压力不稳定、甚至憋压，此时各支路控制阀可以自动联锁关闭。FCS系统可以计算气柜上升、下降速度，工厂管理人员根据气柜火炬气储量合理安排压缩机运行及调度，做到全厂瓦斯系统的优化平衡，达到节能目的。作为示例，如图3所示，火炬气支路双向流量计监视高压支路和低压支路中的流量，确定其管道内是否产生反向流量。如果产生反向流量并超高限，则切断蝶阀。

5.FCS酸性气火炬热值优化控制

炼厂酸性气排放来自酸性水装置与硫磺回收装置及废气系统排放的一个排放口。其排放主要组分是H₂S，CO，CO₂，氨及PP等可燃气体，这些统称为酸性气。

酸性气组分变化使其密度质量、流量会发生变化，这些变化造成酸性气热值变化，从而造成酸性气火炬头燃烧温度变化。如果温度达不到要求，就会不能破解H₂S，造成臭味，会严重污染大气。此时酸性气火炬就要掺燃料气，提高其热值，保证酸性气火炬头温度，保证H₂S的破解，达到环保排放要求。

过去常规方法是通过掺燃料气与酸性气流量比例进行控制。由于酸性气组分变化，这种比例控制还会使热值变化达不到排放要求，同时又造成过度掺燃料气，造成酸性气火炬头温度过高而烧坏酸性气火炬头，并大量浪费燃料气。

本发明的FCS系统采用酸性气热值优化控制来对掺和燃料气的量进行控制，从而不仅保证了排放环保要求，还节省了大量掺和燃料气。例如，如图4所示，FCR为流量信号，ARC为热值分析仪检测到的热值信号。FCS系统测量H₂S的流量，并将测量到的流量输入到燃料气流量控制装置，燃料气流量控制装置使用该测量到的H₂S流量计算要达到所需热值而应该掺入的燃料气流量，并将计算得到的燃料气流量输入到热值优化平台。热值优化平台随后掺入该计算得到的量的燃料气，从而达到高效的脱除酸性气体的目的。

这样，通过在线H₂S热值分析仪，测量H₂S热值，用掺瓦斯的方法控制其热值。例如，保证H₂S的火炬头热值在1500大卡以上达到优化控制使H₂S的破解率在98%以上。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (7)

1.一种火炬监控管理系统，包括：

火炬子系统，所述火炬子系统用于控制火炬气的放空燃烧，所述火炬子系统还包括：

消烟蒸汽优化控制模块，所述消烟蒸汽优化控制模块用于监视火炬气流量变化及火炬气组分分子量变化，以根据测量到的结果来控制消烟蒸汽的流量；

防回火模块，所述防回火模块在管道气压是低于某一预定气压的情况下，控制全部开启瓦斯阀门输入瓦斯，并且在管道内气压达到或超过所述预定气压之后，停止瓦斯输入，所述预定气压是微正压；

分液水封罐子系统，所述分液水封罐子系统用于控制对火炬气进行的气液分离，阻止火炬气放空；

气柜子系统，所述气柜子系统用于控制气柜对经气液分离的火炬气的回收；

压缩机子系统，所述压缩机子系统用于控制对所回收的火炬气进行的抽取加压；

脱硫子系统，所述脱硫子系统用于控制对加压后的火炬气进行的脱硫处理；以及

汽化器子系统，所述汽化器子系统用于控制对脱硫的火炬气的储存。

2.如权利要求1所述的火炬监控管理系统，其特征在于，所述火炬子系统还包括自动点火模块，所述自动点火模块根据包括以下各项中的至少一个的参数进行自动联锁，一旦超限自动点燃长明灯：火炬气管道压力、流量、气柜高度。

3.如权利要求1所述的火炬监控管理系统，其特征在于，所述消烟蒸汽优化控制模块还用于：

使中心喷射蒸汽抬升火焰高度，降低火炬头温度；

引射空气蒸汽，将助燃空气送到火焰中心供氧，并稀释烃，抑制聚合反应，同时缩短火焰高度及托高火焰；以及

使火炬气充分均匀混合与扩散。

4.如权利要求1所述的火炬监控管理系统，其特征在于，气柜入口的切断阀是既能连续控制又能安全联锁的调节切断蝶阀。

5.如权利要求4所述的火炬监控管理系统，其特征在于，所述气柜子系统还包括用于控制高、低压支路双向流量计的模块，所述双向流量计正、反向量程比相差大、压降小，并用于测量正、反向流量，所述双向流量计正、反向量程比为1：40。

6.如权利要求1所述的火炬监控管理系统，其特征在于，所述火炬子系统还包括用于控制掺和燃料气的量的酸性气热值优化模块。

7.一种火炬监控管理系统，包括：

火炬子系统，所述火炬子系统用于控制火炬气的放空燃烧，所述火炬子系统还包括：

自动点火模块，所述自动点火模块根据包括以下各项中的至少一个的参数进行自动联锁，一旦超限自动点燃长明灯：火炬气管道压力、流量、气柜高度；

消烟蒸汽优化控制模块，所述消烟蒸汽优化控制模块用于监视火炬气流量变化及火炬气组分分子量变化，以根据测量到的结果来控制消烟蒸汽的流量；

用于控制掺和燃料气的量的酸性气热值优化模块，所述酸性气热值优化模块通过酸性气热值来计算要达到预定热值所需掺入的燃料气的量，保证酸性气能够完全充分燃烧；以及

防回火模块，所述防回火模块在管道气压是低于某一预定气压的情况下，控制全部开启瓦斯阀门输入瓦斯，并且在管道内气压达到或超过所述预定气压之后，停止瓦斯输入，所述预定气压是微正压；

分液水封罐子系统，所述分液水封罐子系统用于控制对火炬气进行的气液分离，阻止火炬气放空；

气柜子系统，所述气柜子系统用于控制气柜对经气液分离的火炬气的回收，气柜入口的切断阀是既能连续控制又能安全联锁的调节切断蝶阀并且使用双向流量计来测量正、反向流量以用于防止互窜；

压缩机子系统，所述压缩机子系统用于控制对所回收的火炬气进行的抽取加压；

脱硫子系统，所述脱硫子系统用于控制对加压后的火炬气进行的脱硫处理；

汽化器子系统，所述汽化器子系统用于控制对脱硫的火炬气的储存。